作為.NET進(jìn)階內(nèi)容的一部分，垃圾回收器(簡稱GC)是必須了解的內(nèi)容。本著“通俗易懂”的原則，本文將解釋CLR中垃圾回收器的工作原理。

基礎(chǔ)知識

托管堆(Managed Heap)

先來看MSDN的解釋：初始化新進(jìn)程時，運(yùn)行時會為進(jìn)程保留一個連續(xù)的地址空間區(qū)域。這個保留的地址空間被稱為托管堆。

“托管堆也是堆”，為什么這樣說呢？這么說是希望大家不要被“術(shù)語”迷惑，這個知識點(diǎn)的前提是“值類型和引用類型的區(qū)別”。這里假設(shè)讀者已經(jīng)知道“值類型存儲在棧中，引用類型存儲在堆中。(引用類型的引用存儲在棧中)”這一重要概念。所以，根據(jù)這個理論，除值類型外，CLR要求所有資源都從托管堆分配。

托管堆維護(hù)著一個指針，這里命名為NextObjPtr，它指向下一個對象在堆中的分配位置。

CPU寄存器(CPU Register)

這個是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識，這里復(fù)習(xí)一下，有助于對下面“根”概念的理解。

CPU寄存器是CPU自己的”臨時存儲器”,比內(nèi)存的存取還快。按與CPU遠(yuǎn)近來分，離得最近的是寄存器，然后緩存(計(jì)算機(jī)一、二、三級緩存)，最后內(nèi)存。

根(Roots)

類中定義的任何靜態(tài)字段，方法的參數(shù)，局部變量(僅限引用類型變量)等都是根，另外cpu寄存器中的對象指針也是根。根是CLR在堆之外可以找到的各種入口點(diǎn)。

對象可達(dá)與不可達(dá)(Objects reachable and unreachable)

如果一個根引用了堆中的一個對象，則該對象為“可達(dá)”，否則即是“不可達(dá)”。

垃圾回收的原因

從計(jì)算機(jī)組成的角度來講，所有的程序都是要駐留在內(nèi)存中運(yùn)行的。而內(nèi)存是一個限制因素(大小)。除此之外，托管堆也有大小限制。如果托管堆沒有大小限制，那C#的執(zhí)行速度要優(yōu)于c了(托管堆的結(jié)構(gòu)讓它有比c運(yùn)行時堆更快的對象分配速度)。因?yàn)榈刂房臻g和存儲的限制因素，托管堆要通過垃圾回收機(jī)制，來維持它的正常運(yùn)作，保證對象的分配，不會“內(nèi)存溢出”。

垃圾回收的基本原理

回收分為兩個階段：  標(biāo)記 –> 壓縮

標(biāo)記的過程，其實(shí)就是判斷對象是否可達(dá)的過程。當(dāng)所有的根都檢查完畢后，堆中將包含可達(dá)(已標(biāo)記)與不可達(dá)(未標(biāo)記)對象。

標(biāo)記完成后，進(jìn)入壓縮階段。在這個階段中，垃圾回收器線性的遍歷堆，以尋找不可達(dá)對象的連續(xù)內(nèi)存塊。并把可達(dá)對象移動到這里以壓縮堆。這個過程有點(diǎn)類似于磁盤空間的碎片整理。

如上圖所示，綠色框表示可達(dá)對象，黃色框?yàn)椴豢蛇_(dá)對象。不可達(dá)對象清除后，移動可達(dá)對象實(shí)現(xiàn)內(nèi)存壓縮(變得更緊湊)。

壓縮之后，“指向這些對象的指針”的變量和CPU寄存器現(xiàn)在都會失效，垃圾回收器必須重新訪問所有根，并修改它們來指向?qū)ο蟮男聝?nèi)存位置。這會造成顯著的性能損失。這個損失也是托管堆的主要缺點(diǎn)。

基于以上特點(diǎn)，垃圾回收引發(fā)的回收算法也是一項(xiàng)研究課題。因?yàn)槿绻娴鹊酵泄芏褲M才開始執(zhí)行垃圾回收，那就真的太“慢”了。

垃圾回收算法 – 分代(Generation)算法

代是CLR垃圾回收器采用的一種機(jī)制，它唯一的目的就是提升應(yīng)用程序的性能。分代回收，速度顯然快于回收整個堆。

CLR托管堆支持3代：第0代，第1代，第2代。第0代的空間約為256KB，第1代約為2M，第2代約為10M。新構(gòu)造的對象會被分配到第0代。

如上圖所示，當(dāng)?shù)?代的空間滿時，垃圾回收器啟動回收，不可達(dá)對象(上圖C、E)會被回收，存活的對象被歸為第1代。

當(dāng)?shù)?代空間已滿，第1代也開始有很多不可達(dá)對象以至空間將滿時，這時兩代垃圾都將被回收。存活下來的對象(可達(dá)對象)，第0代升為第1代，第1代升為第2代。

實(shí)際CLR的代回收機(jī)制更加“智能”，如果新創(chuàng)建的對象生存周期很短，第0代垃圾也會立刻被垃圾回收器回收(不用等空間分配滿)。另外，如果回收了第0代，發(fā)現(xiàn)還有很多對象“可達(dá)”，

并沒有釋放多少內(nèi)存，就會增大第0代的預(yù)算至512KB，回收效果就會轉(zhuǎn)變?yōu)椋豪厥盏拇螖?shù)將減少，但每次都會回收大量的內(nèi)存。如果還沒有釋放多少內(nèi)存，垃圾回收器將執(zhí)行

完全回收(3代)，如果還是不夠，則會拋出“內(nèi)存溢出”異常。

也就是說，垃圾回收器會根據(jù)回收內(nèi)存的大小，動態(tài)的調(diào)整每一代的分配空間預(yù)算！達(dá)到自動優(yōu)化！

總結(jié)

垃圾回收背后有這樣一個基本的觀念：編程語言(大多數(shù)的)似乎總能訪問無限的內(nèi)存。而開發(fā)者可以一直分配、分配再分配——像魔法一樣，取之不盡用之不竭。

.NET垃圾回收器的基本工作原理是：通過最基本的標(biāo)記清除原理，清除不可達(dá)對象；再像磁盤碎片整理一樣壓縮、整理可用內(nèi)存；最后通過分代算法實(shí)現(xiàn)性能最優(yōu)化。

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